本文是一篇综述，作者为Wang Qin、Shujuan Li、Wei Wei、Haiqing Bai、Shikui Jia、Robert G Landers、Yunlong Ma、Sha Wei、Tuo Kang、Miao Zhang、Weipei Zhang、Mingkun Wang和Tongxin Guan。其中，第一作者及多位合著者来自西安理工大学机械与精密仪器工程学院，Haiqing Bai来自陕西理工大学机械工程学院，Shikui Jia来自陕西理工大学材料科学与工程学院，Robert G Landers来自美国圣母大学航空航天与机械工程系。该综述发表于Advanced Science期刊，2025年出版，DOI为10.1002/advs.202417648。

本文的核心主题是硬质曲面电路的三维（3D）打印策略，涵盖材料、工艺、控制策略以及应用场景。随着电子产品向小型化、轻量化和个性化定制发展，传统平面印刷电路板（PCB）技术在面对复杂曲面结构时存在明显局限，因此结构电子（structural electronics）3D打印成为解决该问题的重要方向。本文的主要目的是总结曲面电路3D打印技术的最新进展，重点分析直接制造与间接制造两大类方法的优缺点，并讨论未来发展趋势。

论文首先阐述了曲面电路制造技术的分类与总体背景。曲面电路制造技术可分为间接制造与直接制造。间接制造主要依靠柔性基底转印或通过热、光、磁等外部刺激使平面电路弯曲贴合到曲面上；虽然该方法成本低、可大面积制备，但在硬质复杂表面上难以实现完全共形覆盖，且超薄电子结构在强弯曲或拉伸条件下容易出现界面断裂或信号不稳定。相比之下，直接制造技术通过在物体表面图案化沉积功能导电材料或将其集成到物体内部，能够形成稳定的共形电路并提升可靠性和性能。直接印刷技术主要包括直接书写挤出（direct-write extrusion）、喷墨打印和激光直接书写等。其中，直接书写挤出工艺因其工艺简单、效率高、环境友好、设计灵活且原型制作成本低而受到广泛关注。传统PCB制造需要经过掩模制备、蚀刻、电镀等八道工序，柔性转印技术可减少到三步，而表面直接打印技术只需要表面沉积和烧结两步，显著简化了工艺流程并降低成本。

在材料方面，单一喷嘴打印电路在原材料种类和电学性能上存在局限，因此多材料打印成为重要发展方向。多材料打印通过增加喷嘴来沉积聚合物基底和导电通路，共打印导体、半导体和介电材料，从而实现器件内的多功能集成。常用导电材料包括掺杂石墨烯、碳纳米管、炭黑和金属颗粒的复合塑料。市面上适用于熔融沉积成型（FDM）打印机的导电复合线材包括碳纤维/PLA、石墨烯/PLA、炭黑/ABS以及碳纤维/PETG等复合材料。然而，这些复合材料的电阻率仍远高于体铜（1.67 μΩ·cm），其导电性对温度敏感，高温下可能显著下降，这给高温熔融挤出工艺带来很大挑战。基底的表面清洁度、润湿性、附着力、孔隙率和粗糙度也直接影响印刷电路的电学性能。等离子体处理、激光处理、表面粗化以及在墨水中添加增粘剂等方法常用来改善基底表面性质。常用基底材料包括陶瓷、玻璃、聚合物（如聚碳酸酯PC、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI）、金属、纸张和金属箔等。

在曲面电路直接打印工艺方面，传统三轴打印系统由于喷嘴只能沿Z轴堆叠材料，难以保证喷嘴始终垂直于曲面，导致材料在倾斜面上发生变形、不连续和流失，从而影响导电性并降低打印精度。多自由度增材制造系统（包括并联机构、旋转结构、机械臂和混合驱动系统）的出现使打印复杂曲面部件成为可能。五轴打印在三轴基础上增加了绕Y轴旋转的B轴和绕Z轴旋转的C轴，通过各轴联动使喷嘴始终垂直于加工表面。多轴切片算法和曲面路径生成框架是实现高精度曲面打印的关键，例如曲面共形切片算法和基于UR5e机械臂的多轴打印路径生成方法。此外，闭环反馈控制、优化打印喷嘴结构、使用Ga–In–Sn液态金属以及脉冲光烧蚀等方法均被用来提升曲面电路打印质量。打印完成后，通常需要热烧结使电路获得导电性，激光烧结和强脉冲光烧结（IPL）参数的优化可显著改善导电性。为进一步提高导电性，研究者采用电沉积等金属化处理方法，例如铜电化学沉积可使电路电导率提高94倍，载流量提高17倍，表面粗糙度由9.3 μm降至6.9 μm。

表面轨道填充打印是另一种曲面电路构建策略，其特点是在3D模型设计阶段预留表面凹槽作为电路轨道，打印完成后向凹槽内填充导电材料。该方法包括将铜带焊接在凹槽内、填充液态金属（如共晶镓铟合金EGaIn）以及结合激光活化化学镀等。利用铜带代替导电银浆可显著提高电导率，但由于焊料熔点接近塑料熔点，焊接时塑料局部熔化反而增强了机械结合力。液态金属轨道可通过投影微立体光刻和磁性液态金属填充实现自修复电路。激光活化技术通过在树脂中加入可活化填料，结合化学镀实现表面金属化，但金属镀层与塑料基底之间的附着力较弱，通常需要进行表面预处理以增强结合强度。

无焊接立体电路打印是将电路结构置于物体内部，通过交替沉积导电与绝缘材料形成多层立体电路。该工艺通常采用双喷嘴系统，一个喷嘴打印绝缘电路板，另一个喷嘴打印导电电路。电子元件在熔融沉积过程中插入并通过物理接触实现导电，从而避免焊接步骤。然而，多层电路之间的层间结合依赖于材料表面附着力，弱附着力可能导致分层失效。多材料打印过程中还可能出现拉丝和渗漏问题，导致不同材料之间交叉污染并可能引发短路。

嵌入式电路打印通过将电路和元件直接嵌入三维结构体内部，避免了电路与塑料基底表面附着力差的问题，并减少了台阶效应等表面质量问题。嵌入策略分为腔体式和腔室式。嵌入工艺通常包括在基底内打印导电线和层间互连线，并在元件所在层预留空间，随后通过介质层覆盖实现完全封装。垂直互连是嵌入式多层电路的关键，可采用内部策略（通过埋置或覆盖模式连接上下层）或外部策略（将电路层连接点引至外表面并通过激光活化化学镀制造互连线）。化学抛光处理和超声束沉积（SCBD）技术也被用于提高嵌入铜层的附着力与电学性能。然而，大多数嵌入式电子制造仍依赖在微通道内注入导电浆料，仅适用于连续导体电路，难以处理含分立元件和电子器件的多层电路，并且导电浆料的导电性和机械强度通常低于传统PCB中的金属导体。

本文系统总结了3D打印曲面电路的关键工艺路线，包括表面直接打印、表面轨道填充、无焊接立体电路打印和嵌入式电路打印。材料优化、多轴运动控制、曲面切片算法、烧结与金属化后处理是提升电路电学性能和结构可靠性的核心方向。该综述的价值在于为曲面共形电子制造领域的研究者提供了全面的技术框架和比较分析，并指出了未来发展方向，如异质材料集成、高质量曲面切片算法、混合制造工艺以及无焊接高可靠性互连技术等。论文还强调了在任意曲面上制造共形电子器件所面临的机会与挑战，为航空航天共形天线、医疗植入物、曲光伏储能和机器人传感器网络等应用场景提供了技术参考。